锚杆（索）的原材料和构造设计

1）锚杆原材料

锚固工程原材料性能应符合现行有关产品标准的规定，应满足设计要求，方便施工，且材料之间不应产生不良影响。

锚杆（索）杆体可使用普通钢材、精轧螺纹钢、钢绞线（包括无黏结钢绞线和高强钢丝），其材料尺寸和力学性能应符合《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）附录F的规定，不宜采用镀锌钢材。

2）锚杆构造设计

锚杆总长度应为锚固段、自由段和外锚段的长度之和。同时，应符合下列规定：

①锚杆自由段长度应为外锚头到潜在滑裂面的长度；预应力锚杆自由段长度应不小于5.0 m，且应超过潜在滑裂面1.5 m。

②锚杆锚固段长度应按式（5.22）和式（5.23）进行计算，并取其中大值。同时，土层锚杆的锚固长度应不小于4.0 m，并宜不大于10.0 m；岩石锚杆的锚固段长度应不小于3.0 m，且宜不大于45D和6.5 m，预应力锚索宜不大于55D和8.0 m。

③位于软质岩中的预应力锚索，可根据地区经验确定最大锚固长度。

④当计算锚固段长度超过构造要求长度时，应采取改善锚固段岩土体质量、压力灌浆、扩大锚固段直径，以及采用荷载分散型锚杆等技术措施，提高锚杆承载能力。

规定锚固段设计长度取值的上限值和下限值，是为保证锚固效果安全、可靠，使计算结果与锚固段锚固体和地层间的应力状况基本一致并达到设计要求的安全度。

日本有关锚固工法介绍的锚固段锚固体与地层间锚固应力分布如图5.21所示。

由于灌浆体与岩土体和杆体的弹性特征值不一致，因此，当杆体受拉后黏结应力并非沿纵向均匀分布，而是出现图示5.21Ⅰ应力集中现象。当锚固段过长时，随着应力不断增加从靠近边坡面处锚固端开始，灌浆体与地层界面的黏结逐渐软化或脱开，此时可发生裂缝沿界面向深部发展现象（见图5.21Ⅱ）。随着锚固效应弱化，锚杆抗拔力并不与锚固长度增加成正比（见图5.21Ⅲ）。由此可知，计算采用过长的增大锚固长度，并不能有效提高锚固力，公式la≥KNak/（πDfrbk）的应用必须限制计算长度的上限值，国外有关标准规定计算长度不超过10 m。实际工程中，考虑锚杆耐久性和对岩土体加固效应等因素，锚杆实际锚固长度可适当加长。

图5.21　拉力型锚杆锚固应力分布图

Ⅰ—锚杆工作阶段应力分布图；Ⅱ—锚杆应力超过工作阶段面，变形增大时应力分布图；Ⅲ—锚固段处于破坏阶段时应力分布力

反之，锚固段长度设计过短时，由于实际施工期锚固区地层局部强度可能降低，或岩体中存在不利组合结构面时，锚固段被拔出的危险性增大，为确保锚固安全度的可靠性，国内外有关标准均规定锚固段构造长度不得小于3.0~4.0 m。

大量的工程试验证实，在硬质岩和软质岩中，中、小级承载力锚杆在工作阶段锚固段应力传递深度为1.5~3.0 m（12~20倍钻孔直径），三峡工程锚固于花岗岩中3 000 kN级锚索工作阶段应力传递深度实测值约为4.0 m（约25倍孔径）。

综上所述，《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）根据大量锚杆试验结果及锚固段设计安全度及构造需要，提出锚固段的设计计算长度应满足构造设计的要求。

当计算锚固段长度超过限值时，可采取锚固段压力灌浆（二次劈裂灌浆）方法加固锚固段周围土体、提高土体与锚固体黏结摩阻力，以获得更高单位长度锚固段抗拔承载力。一般情况下，采取压力灌浆方法可提高锚固力1.2~1.5倍。此外，还可采用改变锚固体形式的方法即荷载分散型锚杆。荷载分散型锚杆是在同一个锚杆孔内安装几个单元锚杆，每个单元锚杆均有各自的锚杆杆体、自由段和锚固段。承受集中拉力荷载时，各个不同的单元锚杆锚固段分别承担较小的拉力荷载，使锚杆锚固段上黏结应力大大减小且相应于整根锚杆分布均匀，能最大限度地调用整个加固范围内土层强度。可根据具体锚杆孔直径大小与承载力要求设置单元锚杆个数，使锚杆承载力可随锚固段长度的增加正比例提高，满足使用要求。此外，压力分散型锚杆还可增加防腐能力，减小预应力损失，特别适用于相对软弱又对变形及承载力要求较高的岩土体。锚固应力分布如图5.22所示。(www.xing528.com)

图5.22　荷载分散型锚杆锚固应力分布图

1—单元锚杆；2—黏摩阻力

锚杆的钻孔直径应符合下列规定：

①钻孔内的锚杆钢筋面积不超过钻孔面积的20%。

②钻孔内的锚杆钢筋保护层厚度：对永久性锚杆，应不小于25 mm；对临时性锚杆，应不小于15 mm。

锚杆的倾角宜采用10°~30°，并应避免对相邻构筑物产生不利影响。

锚杆轴线与水平面的夹角小于10°后，锚杆外端灌浆饱满度难以保证。因此，建议夹角一般不小于10°。由于锚杆水平抗拉力等于拉杆强度与锚杆倾角余弦值的乘积。锚杆倾角过大时锚杆有效水平拉力下降过多，同时将对锚肋作用较大的垂直分力，该垂直分力在锚肋基础设计时不能忽略，同时对施工期锚杆挡墙的竖向稳定不利。因此，锚杆倾角宜为10°~35°。

锚杆的安设角度需要考虑邻近状况、锚固地层位置和施工方法。实际工程中，应根据锚固地层的位置选择合适的安设角度。

对预应力锚索，可根据两种方法综合确定最优锚固角。

①理论分析表明，锚索满足下式是最经济的，即

式中　β——锚索最优锚固角；

　　　θ——滑面倾角；

　　　ϕ——滑面内摩擦角。

②对注浆锚索，根据经验，锚固角度必须大于11°，否则须增设止浆环进行压力注浆。

锚杆的布置与安设角度原则上应根据实际地层情况以及锚杆与其他支挡结构联合使用的具体情况确定。

锚杆隔离架（对中支架）应沿锚杆轴线方向每隔1~3 m设置一个。对土层，应取小值；对岩层，可取大值。